(57)【要約】【課題】信頼性を向上させた電磁サスペンション装置を提供する。【解決手段】台車側出力軸３とボールナット９との間に、台車側出力軸３にボールナット９を束縛する束縛ピン１３を設け、電磁アクチュエータ４のボールナット９とボールねじ軸１０との螺合部に規定を超える力が作用した場合に、その力を各束縛ピン１３を破断させて解放する。これにより、ボールナット９とボールねじ軸１０との螺合部の異常（損傷、動きが固くなること等）および電気モータ１１の過負荷を防止することができ、装置の信頼性を向上させることができる。【選択図】図１
2010105633.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
一側が開口した第１中空軸と、該第１中空軸の開口部に挿入されて該第１中空軸に対して軸方向へ移動可能な第２中空軸と、該第２中空軸の内部の一側に束縛可能に収容されるナット部材と、該ナット部材に回転可能に螺合されて前記第１中空軸の内部に収容されるねじ軸と、前記第１中空軸の他側に設けられて前記ねじ軸を回転駆動する電気モータと、を備え、前記電気モータの電磁力を利用して前記ねじ軸の回転を制御することにより、前記第１中空軸に対する前記第２中空軸の軸方向への推力を制御する電磁サスペンション装置であって、
前記ねじ軸と前記ナット部材との間に所定値を超える負荷が作用した場合に、前記ナット部材の束縛を解放するリミット機構を有することを特徴とする電磁サスペンション装置。
【請求項２】
前記リミット機構により前記ナット部材の束縛が解放されたことを検知する検知手段を有することを特徴とする請求項１に記載の電磁サスペンション装置。
【請求項３】
前記リミット機構は、前記第２中空軸と前記ナット部材との間に設けられた束縛ピンにより構成されることを特徴とする請求項１乃至２に記載の電磁サスペンション装置。
【請求項４】
前記束縛ピンは、外径が他の部分よりも小さく形成された縮径部を有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の電磁サスペンション装置。
【請求項５】
前記検知手段は、前記第２中空軸の任意の２点間を前記ナット部材間の電気的な変化を測定する測定手段を有し、該測定手段の測定結果に基づき前記ナット部材の束縛が解放されたことを検知することを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の電磁サスペンション装置。
【請求項６】
前記検知手段は、前記第２中空軸に対する前記ナット部材の軸方向への相対移動を検出するナット部材検出センサにより構成されることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の電磁サスペンション装置。
【請求項７】
電気モータへ推力指令を出力する推力指令部と、該推力指令部の出力により得られる前記電気モータの回転数を算出する回転数算出部と、該回転数算出部により算出された前記電気モータの回転数に基づき閾値を設定する閾値設定部と、を含む制御手段を備え、
前記検知手段は、前記閾値設定部により設定された閾値と回転数検出部により検出された前記電気モータの実際の回転数とを比較し、その結果に基づき前記ナット部材の束縛が解放されたことを検知することを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の電磁サスペンション装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電磁サスペンション装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、ボールねじ軸とボールナットとモータとを含むアクチュエータを車体と車輪（または台車等）との間に設けた自動車や鉄道車両等に用いられる電磁サスペンション装置が知られている（例えば、特許文献１の図１７参照）。
【特許文献１】特開２００３−１０４０２５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
このような電磁サスペンション装置では、モータの回転トルクと車輪（台車）側からの入力との双方が作用することから、これらの力が過大になりボールねじ軸またはボールナットに異常が発生した場合、ボールねじ軸のストロークが制限されて信頼性の低下を招くおそれがあった。
そこで本発明は、信頼性を向上させた電磁サスペンション装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
上記課題を解決するために、本発明のうち請求項１に記載の電磁サスペンション装置は、一側が開口した第１中空軸と、該第１中空軸の開口部に挿入されて該第１中空軸に対して軸方向へ移動可能な第２中空軸と、該第２中空軸の内部の一側に束縛可能に収容されるナット部材と、該ナット部材に回転可能に螺合されて前記第１中空軸の内部に収容されるねじ軸と、前記第１中空軸の他側に設けられて前記ねじ軸を回転駆動する電気モータと、を備え、前記電気モータの電磁力を利用して前記ねじ軸の回転を制御することにより、前記第１中空軸に対する前記第２中空軸の軸方向への推力を制御する電磁サスペンション装置であって、前記ねじ軸と前記ナット部材との間に所定値を超える負荷が作用した場合に、前記ナット部材の束縛を解放するリミット機構を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００５】
本発明によれば、信頼性を向上させた電磁サスペンション装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００６】
（第１実施形態）
本発明の第１実施形態を図１〜図３に基づき説明する。第１実施形態では、例えば、鉄道車両の車体と台車との間に設けられる電磁サスペンション装置１を説明する。
図１に示されるように、電磁サスペンション装置１は、車体に連結される車体側出力軸２（第１中空軸）と、台車に連結される台車側出力軸３（第２中空軸）と、車体側出力軸２と台車側出力軸３との間に設けられる電磁アクチュエータ４と、を有する。車体側出力軸２は、一側（図１における右側）が開口する有底円筒形状をなし、他側端面には車体に連結される車体側連結部５が設けられる。
【０００７】
台車側出力軸３は、一側（図１における左側）が開口する有底円筒形状をなし、他側端面には台車に連結される台車側連結部６が設けられる。また、台車側出力軸３は、一側が車体側出力軸２の一側の開口部から該車体側出力軸２の内部へ挿入される。さらに、台車側出力軸３は、車体側出力軸２の内部に設けられた一対の軸受け７，８により外周面が支持され、これにより車体側出力軸２に対して軸方向へ移動可能である。なお、台車側出力軸３の一側の開口端縁にはテーパ部３ａが形成される。
【０００８】
電磁アクチュエータ４は、台車側出力軸３の中空部の基端部側（図１における左側）に収容されるボールナット９（ナット部材）と、該ボールナット９のねじ穴に螺合されるボールねじ軸１０と、車体側出力軸２の内部の基端部側（図１における左側）に設けられ、カップリング１２を介してボールねじ軸９に連結される電気モータ１１と、を有する。図２に示されるように、電磁サスペンション装置１は、台車側出力軸３にボールナット９を束縛する、すなわち、台車側出力軸３とボールナット９との軸方向および回転方向における相対移動を阻止する複数本（第１実施形態では２本）の束縛ピン１３（リミット機構）を有する。各束縛ピン１３は、台車側出力軸３の側壁３ｂを貫通して先端部がボールナット９に埋設される。各束縛ピン１３は、先端部がボールナット９に埋設された状態で台車側出力軸３の側壁３ｂとボールナット９との境界に位置する縮径部１３ａを有する。
【０００９】
そして、電磁サスペンション装置１は、例えば、ボールナット９とボールねじ軸１０との動きが固くなる等して、ボールナット９とボールねじ軸１０との間に規定値を超える力が作用した場合、図３の（ｂ）に示されるように、各束縛ピン１３（リミット機構）の縮径部１３ａを破断させることにより、そのボールナット９とボールねじ軸１０との間に作用する力を解放するように構成される。ここで、上記力の規定値は、各束縛ピン１３の機械的性質を調節することで適宜設定することができる。
【００１０】
図３の（ａ）に示されるように、電磁サスペンション装置１は、一対の束縛ピン１３，１３間に通電することで台車側出力軸３の２点間にボールナット９を介して通電し、この時の台車側出力軸３のボールナット９間の電気的な変化を測定する測定ユニット１４（測定手段）を有する。そして、第１実施形態の検知手段は、サスペンション制御ユニット（制御手段）により測定ユニット１４の測定結果を監視し、該サスペンション制御ユニットが、測定ユニット１４の測定結果、すなわち、台車側出力軸３の任意の２点間をボールナット９間の電気的な変化を検出することで、図３の（ｂ）に示されるように、各束縛ピン１３が縮径部１３ａで破断したことを検知することができるように構成される。
【００１１】
次に、第１実施形態の作用を説明する。電磁アクチュエータ４は、ボールねじ軸１０がカップリング１２を介して電気モータ１１により回転駆動される。ボールナット９（ナット部材）は各束縛ピン１３（リミット機構）により台車側出力軸３（第２中空軸）に束縛されて回転運動が規制されていることから、ボールねじ軸１０の回転運動はボールナット９の直線運動へ変換される。これにより、台車側出力軸３とボールナット９とは一体で軸方向へ直線運動を行うことになる。
【００１２】
ここで、例えば、電磁サスペンション装置１に急激な軸方向の入力があり、ボールナット９とボールねじ軸１０との螺合部に、車体側出力軸２（第１中空軸）および台車側出力軸３からの入力と電気モータ１１の駆動力との双方を合わせた過大な力が作用した場合、各束縛ピン１３が縮径部１３ａで破断して各束縛ピン１３によるボールナット９の台車側出力軸３に対する束縛を解放する。これにより、台車側出力軸３は、ボールナット９に対して移動可能になることから、車体側出力軸２に対しても軸方向へ移動可能になる。ここで、ボールナット９が台車側出力軸３から抜け出た場合であっても、台車側出力軸３の一側の開口部端縁にテーパ部３ａを設けたことで、ボールナット９を台車側出力軸３の一側の開口部から内部へ再挿入することができ、ボールねじ軸１０の軸方向ストロークを阻害することがない。
【００１３】
そして、図３の（ｂ）に示されるように、各束縛ピン１３が破断してボールナット９が台車側出力軸３に対して軸方向へ移動した場合、サスペンション制御ユニットが、台車側出力軸３の任意の２点間をボールナット９間の電気的な変化を検出することで、各束縛ピン１３が縮径部１３ａで破断したことを即座に検知することができる。なお、サスペンション制御ユニットは、各束縛ピン１３の破断を検知した場合、当該検知を車両の操縦パネルに表示させると共に電気モータ１１の運転を停止する。
【００１４】
第１実施形態では以下の効果を奏する。
第１実施形態によれば、台車側出力軸３（第２中空軸）とボールナット９（ナット部材）との間に、台車側出力軸３にボールナット９を束縛する複数本（第１実施形態では２本）の束縛ピン１３（リミット機構）を設け、電磁アクチュエータ４のボールナット９とボールねじ軸１０との螺合部に所定値以上の力が作用した場合に、その力を各束縛ピン１３を破断させて解放する。さらに、急激な軸方向の入力があった場合にも、その力を各束縛ピン１３を破断させて解放する。
これにより、ボールナット９とボールねじ軸１０との螺合部の異常（損傷、動きが固くなること等）および電気モータ１１の過負荷を防止することができ、装置の信頼性を向上させることができる。また、既存の電磁サスペンション装置に追加加工した穴に束縛ピン１３を挿入するだけで実施することができるので、製造コストの増加を抑制することができ、さらに、大掛かりな装置が必要なく簡単な構成とすることが可能であり大型化を防止する。また、各束縛ピン１３は、台車側出力軸３とボールナット９の境界に位置する縮径部１３ａで破断するので、破断面が台車側出力軸３あるいはボールナット９に当接して台車側出力軸３とボールナット９との円滑な相対移動を妨げることがない。
さらに、急激な軸方向入力による損傷を防止することが可能であり、軸方向入力を緩衝する装置等を必要とすることがないので、大型化を防止して、コスト増加も抑制する。
さらに、一対の束縛ピン１３，１３間に通電することで台車側出力軸３の２点間にボールナット９を介して通電し、台車側出力軸３の任意の２点間をボールナット９間の電気的な変化を検出することで、各束縛ピン１３が縮径部１３ａで破断したことを検知するので、電磁サスペンション装置１による負荷が作用していない状態での車両の運転を防止し、同時に運転者へ通知することで、車体側（乗客）の安全を確保することができる。
【００１５】
なお、第１実施形態は、上述した実施形態に限定されるのもではなく、例えば、次のように構成してもよい。
図５に示されるように、ボールねじ軸１０の先端部に軸受け１５を設け、該軸受け１５で台車側出力軸３の内周面を摺動可能に案内するように構成することができる。この態様では、ボールねじ軸１０の先端部が軸受け１５を介して台車側出力軸３により支持されるので、ボールねじ軸１０の回転を安定させることができる。また、この態様では、図６に示されるように、軸受け８で台車側出力軸３の外周面を支持することができる。
第１実施形態では、一対の束縛ピン１３，１３間に通電することで台車側出力軸３の２点間にボールナット９を介して通電し、台車側出力軸３の任意の２点間をボールナット９間の電気的な変化を検出することで、各束縛ピン１３が縮径部１３ａで破断したことを検知したが、図７に示されるように、台車側出力軸３の内周面に近接センサ１６，１７を埋設し、該近接センサ１６，１７がボールナット９を検出することで、各束縛ピン１３が縮径部１３ａで破断したことを検知するように構成することができる。また、図８に示されるように、台車側出力軸３の内周面に光学式通過センサ１８，１９あるいは超音波センサを埋設し、該センサ１８，１９がボールナット９を検出することで、各束縛ピン１３が縮径部１３ａで破断したことを検知するように構成することができる。
図９に示されるように、ボールナット９の電気モータ１１に対向する面と反対側の面にばね係止部２０を設けると共に台車側出力軸３の底部にばね係止部２１を設け、コイルばね２２の一端をばね係止部２０で係止すると共に他端をばね係止部２１で係止する。これにより、各束縛ピン１３が縮径部１３ａで破断した場合であっても、台車側出力軸３はコイルばね２２を介してボールナット９により支持されるので、台車側出力軸３が車体側出力軸２から抜け落ちてしまうことを防止することができる。
【００１６】
（第２実施形態）
本発明の第２実施形態を説明する。なお、第２実施形態は、第１実施形態に対して図１に示される基本構造が同一であり、各束縛ピン１３（リミット機構）が破断したことを検知する手段（検知手段）が第１実施形態とは異なる。第２実施形態では、第１実施形態と同一あるいは相当する構成には同一の名称および符号を付与し、重複する説明を省略する。したがって、ここでは検知手段のみを説明する。
【００１７】
サスペンション制御ユニット（制御手段）は、要求される台車側出力軸３（第２中空軸）の推力に基づき電磁アクチュエータ４の電気モータ１１へ推力指令Fを出力する推力指令部と、該推力指令部の出力により得られる電気モータ１１の回転数N0を算出する回転数算出部と、該回転数算出部により算出された電気モータ１１の回転数N0に基づき閾値σaを設定する閾値設定部と、を有する。そして、第２実施形態の検知手段は、閾値設定部により設定された閾値σaと回転数検出部により検出された電気モータ１１の実際の回転数Nとを比較し、図１０の（ｂ）に示されるように、電気モータ１１の実際の回転数Nが閾値σaよりも大きい状態（σa＜N）を検出することで、各束縛ピン１３が破断してボールナット９（ナット部材）の束縛が解放されたことを検知するように構成される。
【００１８】
次に、第２実施形態の検知手段の作用を説明する。電磁サスペンション装置１は、台車側出力軸３を介して入力される外力に抗する力を発生させるため、変移量、すなわち、車体側出力軸２と台車側出力軸３との軸方向の相対移動の振幅は微小である。その結果、電気モータ１１の回転数Nも微小であり、図１０の（ａ）に示されるように、推力指令Fに基づき設定される閾値σaと電気モータ１１の回転数Nとの間には、以下の不等式が成立する。
σa＞N
【００１９】
ここで、各束縛ピン１３（リミット機構）が破断した場合、台車側出力軸３とボールナット９とは相対移動可能になることから、電気モータ１１は実質的に無負荷状態になる。したがって、各束縛ピン１３が破断する直前と同一の推力信号Fを電気モータ１１へ出力した場合、閾値σaと電気モータ１１の回転数Nとの関係は以下のようになる。
σa＜N
そして、電気モータ１１の回転数Nが閾値σaよりも大きい状態（図１０の（ｂ）参照）を検出することで、各束縛ピン１３が破断してボールナット９の束縛が解放されたことを検知することができる。
【００２０】
第２実施形態によれば、第１実施形態と同一の効果を奏することができる。
加えて、第１実施形態と比較すると、台車側出力軸３（第２中空軸）の２点間のボールナット９（ナット部材）を介した電気抵抗を測定する手段（測定手段）が必要ないので、台車側出力軸３への配線等がなくなることから、信頼性および耐久性の点で有利である。
【００２１】
（第３実施形態）
本発明の第３実施形態を説明する。なお、第３実施形態は、第１実施形態に対して図１に示される基本構造が同一であり、各束縛ピン１３（リミット機構）が破断したことを検知する手段（検知手段）が第１実施形態とは異なる。第３実施形態では、第１実施形態および第２実施形態と同一あるいは相当する構成には同一の名称および符号を付与し、重複する説明を省略する。したがって、ここでは検知手段のみを説明する。
【００２２】
第２実施形態の検知手段は、電気モータ１１の推力指令Fに基づき設定される閾値σaと電気モータ１１の回転数Nとを比較することで、各束縛ピン１３が破断してボールナット９の束縛が解放されたことを検知したが、第３実施形態の検知手段は、電気モータ１１の推力指令Fに基づき設定される閾値σbと、推力指令Fと電気モータ１１の電流Iとの差分Δ(F−kI)と、を比較することで、各束縛ピン１３が破断してボールナット９（ナット部材）の束縛が解放されたことを検知する。ここで、kは比例係数である。
【００２３】
次に、第３実施形態の作用を説明する。電磁サスペンション装置１は、正常に作動している間、変移量、すなわち、車体側出力軸２と台車側出力軸３との軸方向の相対移動の振幅は微小である。その結果、電気モータ１１の回転数Nも微小であり、電気モータ１１が発生する逆起電力の影響は無視できる範囲内であることから、推力指令Fと電気モータ１１の電流Iとの間には以下の等式が成立する。
F＝kI  （k：比例係数）
この時、図１１の（ａ）に示されるように、推力指令Fと電気モータ１１の電流Iとの差分Δ(F−kI)と、閾値σbとの間には以下の不等式が成立する。
σb＞Δ(F−kI)
【００２４】
ここで、各束縛ピン１３（リミット機構）が破断した場合、台車側出力軸３とボールナット９とは相対移動可能になることから、電気モータ１１は実質的に無負荷状態になる。したがって、各束縛ピン１３が破断する直前と同一の推力信号Fを電気モータ１１へ出力した場合、推力指令Fに対して電気モータ１１の回転数Nが上昇し、電気モータ１１が発生する逆起電力の影響により当該電気モータ１１の電流Iが減少する。その結果、図１１の（ｂ）に示されるように、推力指令Fと電気モータ１１の電流Iとの差分が増加し、以下の不等式が成立する。
σb＜Δ(F−kI)
【００２５】
したがって、電気モータ１１の推力指令Fに基づき設定される閾値σbと、推力指令Fと電気モータ１１の電流Iとの差分Δ(F−kI)と、を比較し、推力指令Fと電気モータ１１の電流Iとの差分Δ(F−kI)が閾値σbよりも大きくなったことを検出することで、各束縛ピン１３が破断してボールナット９（ナット部材）の束縛が解放されたことを検知することができる。
【００２６】
第３実施形態によれば、第２実施形態と同一の効果を奏することができる。
加えて、第２実施形態のように、外部ノイズの影響により電気モータ１１の回転数Nにノイズが積み重なることで閾値σaの決定が困難になることがない。このことは、特に、外部ノイズの影響を受けやすい鉄道車両において有利である。
なお、本実施例において、鉄道車両の車体と台車との間に設けた場合を説明したが、自動車等の車輪と車体の間に設けた電磁サスペンションに適用してもよい。
なお、電気モータ１１は、車体側出力軸２（第１中空軸）の他端側内部に構成する場合を説明したが、例えば、直列で筒の外部に設けてもよいし、リンク機構を設けて横に設けてもよい。
なお、束縛ピンが縮径部で破断したことを電気抵抗の変化を測定する場合を説明したが、これに限らず、例えば、通電の有無などの電気的な変化を検出してもよいし、磁石等を設けて磁界の変化を検出するようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】第１実施形態の電磁サスペンション装置の軸断面図である。
【図２】図１の電磁サスペンション装置におけるリミット機構（束縛ピン）を拡大して示す図である。
【図３】第１実施形態の説明図であって、（ａ）は検知手段（測定手段）の概略構成を示す図で束縛ピンが破断していない状態を示し、（ｂ）は束縛ピンが破断して（ａ）の状態からボールナットが台車側出力軸に対して移動した状態を示す。
【図４】図１の要部拡大図であって、（ａ）は束縛ピンが破断していない状態を示し、（ｂ）は束縛ピンが破断して（ａ）の状態からボールナットが台車側出力軸に対して移動した状態を示す。
【図５】第１実施形態の他の態様を示す図である。
【図６】第１実施形態の他の態様を示す図である。
【図７】第１実施形態における検知手段の他の態様を示す図であって、近接センサを採用した態様を示す。
【図８】第１実施形態における検知手段の他の態様を示す図であって、光学式通過センサを採用した態様を示す。
【図９】第１実施形態の他の態様を示す図であって、台車側出力軸が抜け落ちるのを防止した態様を示す。
【図１０】第２実施形態の説明図であって、（ａ）は束縛ピンが破断していない状態を示し、（ｂ）は束縛ピンが破断した状態を示す。
【図１１】第３実施形態の説明図であって、（ａ）は束縛ピンが破断していない状態を示し、（ｂ）は束縛ピンが破断した状態を示す。
【図１】
2010105633.tif 000003
【図２】
2010105633.tif 000004
【図３】
2010105633.tif 000005
【図４】
2010105633.tif 000006
【図５】
2010105633.tif 000007
【図６】
2010105633.tif 000008
【図７】
2010105633.tif 000009
【図８】
2010105633.tif 000010
【図９】
2010105633.tif 000011
【図１０】
2010105633.tif 000012
【図１１】
2010105633.tif 000013